Giải pháp chip cho ứng dụng chăm sóc sức khỏe và thiết bị y tế
Việc lập kế hoạch cần thiết để thiết kế chip cho các ứng dụng y tế khá khác so với các lĩnh vực khác và thậm chí rất khác so với các thị trường quan trọng như xe tự lái.Tuy nhiên, bất kể loại thiết bị y tế nào, thiết kế chip y tế sẽ phải đối mặt với ba thách thức lớn: tiêu thụ điện năng, an toàn và độ tin cậy.
Trong quá trình phát triển chất bán dẫn dùng trong chăm sóc sức khỏe, trước tiên các nhà phát triển phải đảm bảo rằng mức tiêu thụ điện năng thấp của các thiết bị y tế, thiết bị cấy ghép là những yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với điều này, bởi vì các thiết bị đó cần được phẫu thuật đặt vào cơ thể và loại bỏ, mức tiêu thụ điện năng phải thấp hơn Nhìn chung, các bác sĩ và bệnh nhân mong muốn thiết bị y tế cấy ghép có thể tồn tại từ 10 đến 20 năm, thay vì cứ vài năm lại phải thay pin.
Hầu hết các thiết bị y tế không thể cấy ghép cũng yêu cầu thiết kế sử dụng năng lượng cực thấp vì các thiết bị như vậy chủ yếu chạy bằng pin (chẳng hạn như máy theo dõi thể dục trên cổ tay).Các nhà phát triển cần xem xét các công nghệ như quy trình rò rỉ thấp, miền điện áp và miền nguồn có thể chuyển đổi để giảm mức tiêu thụ điện năng hoạt động và dự phòng.
Độ tin cậy là xác suất con chip sẽ thực hiện tốt chức năng cần thiết trong một môi trường nhất định (bên trong cơ thể con người, trên cổ tay, v.v.) trong một khoảng thời gian nhất định, khoảng thời gian này sẽ thay đổi tùy thuộc vào việc sử dụng thiết bị y tế.Hầu hết các lỗi xảy ra ở giai đoạn sản xuất hoặc gần hết tuổi thọ và nguyên nhân chính xác sẽ khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể của sản phẩm.Ví dụ: tuổi thọ của máy tính xách tay hoặc thiết bị di động là khoảng 3 năm.
Những hỏng hóc cuối đời chủ yếu là do bóng bán dẫn bị lão hóa và hiện tượng di chuyển bằng điện.Lão hóa đề cập đến sự suy giảm dần dần hiệu suất của bóng bán dẫn theo thời gian, cuối cùng dẫn đến hỏng toàn bộ thiết bị.Hiện tượng điện di hoặc chuyển động không mong muốn của các nguyên tử do mật độ dòng điện là nguyên nhân quan trọng gây ra lỗi kết nối giữa các bóng bán dẫn.Mật độ dòng điện qua đường dây càng cao thì khả năng hỏng hóc trong thời gian ngắn càng lớn.
Việc vận hành đúng cách các thiết bị y tế là rất quan trọng, vì vậy độ tin cậy cần được đảm bảo ngay từ đầu giai đoạn thiết kế và trong suốt quá trình.Đồng thời, việc giảm sự biến động trong giai đoạn sản xuất cũng rất cần thiết.Synopsys cung cấp giải pháp phân tích độ tin cậy hoàn chỉnh, thường được gọi là Phân tích độ tin cậy PrimeSim, bao gồm kiểm tra quy tắc điện, mô phỏng lỗi, phân tích biến thiên, phân tích di chuyển điện và phân tích lão hóa bóng bán dẫn.
Dữ liệu y tế bí mật được thu thập bởi các thiết bị y tế cần phải được bảo mật để những người không có thẩm quyền không thể truy cập thông tin y tế riêng tư.Các nhà phát triển cần đảm bảo rằng các thiết bị y tế không dễ bị bất kỳ hình thức giả mạo nào, chẳng hạn như khả năng những cá nhân vô đạo đức đột nhập vào máy điều hòa nhịp tim để gây hại cho bệnh nhân.Do dịch bệnh viêm phổi mới, lĩnh vực y tế ngày càng sử dụng nhiều các thiết bị kết nối để giảm thiểu nguy cơ tiếp xúc với bệnh nhân và để thuận tiện.Càng thiết lập nhiều kết nối từ xa thì khả năng vi phạm dữ liệu và các cuộc tấn công mạng khác càng lớn.
Từ góc độ các công cụ thiết kế chip, các nhà phát triển chip thiết bị y tế không sử dụng công cụ nào khác với những công cụ được sử dụng trong các tình huống ứng dụng khác;EDA, lõi IP và các công cụ phân tích độ tin cậy đều rất cần thiết.Những công cụ này sẽ giúp các nhà phát triển lập kế hoạch hiệu quả để đạt được các thiết kế chip tiêu thụ năng lượng cực thấp với độ tin cậy cao hơn, đồng thời tính đến các hạn chế về không gian và các yếu tố an toàn, vốn rất quan trọng đối với sức khỏe bệnh nhân, bảo mật thông tin và an toàn tính mạng.
Trong những năm gần đây, đợt bùng phát vương miện mới cũng khiến ngày càng nhiều người nhận ra tầm quan trọng của hệ thống y tế và thiết bị y tế.Trong thời gian dịch bệnh, máy thở được sử dụng để hỗ trợ bệnh nhân bị tổn thương phổi nặng bằng máy thở.Hệ thống máy thở sử dụng cảm biến bán dẫn và bộ xử lý để theo dõi các tín hiệu quan trọng.Các cảm biến được sử dụng để xác định tốc độ, thể tích và lượng oxy mỗi hơi thở của bệnh nhân và điều chỉnh mức oxy chính xác theo nhu cầu của bệnh nhân.Bộ xử lý điều khiển tốc độ động cơ để hỗ trợ bệnh nhân thở.
Và thiết bị siêu âm cầm tay có thể phát hiện các triệu chứng virus như tổn thương phổi ở bệnh nhân và nhanh chóng xác định các đặc điểm của bệnh viêm phổi cấp tính liên quan đến virus Corona mới mà không cần chờ xét nghiệm axit nucleic.Những thiết bị như vậy trước đây sử dụng tinh thể áp điện làm đầu dò siêu âm, thường có giá hơn 100.000 USD.Bằng cách thay thế tinh thể áp điện bằng chip bán dẫn, thiết bị chỉ có giá vài nghìn USD và cho phép phát hiện và đánh giá nội tạng của bệnh nhân dễ dàng hơn.
Virus Corona mới đang gia tăng và vẫn chưa hoàn toàn kết thúc.Điều quan trọng là những nơi công cộng phải kiểm tra nhiệt độ của một số lượng lớn người dân.Máy ảnh chụp ảnh nhiệt hiện tại hoặc nhiệt kế hồng ngoại đo trán không tiếp xúc là hai cách phổ biến để thực hiện việc này và các thiết bị này cũng dựa vào chất bán dẫn như cảm biến và chip analog để chuyển đổi dữ liệu như nhiệt độ thành chỉ số kỹ thuật số.
Ngành chăm sóc sức khỏe cần các công cụ EDA tiên tiến để đáp ứng những thách thức luôn thay đổi ngày nay.Các công cụ EDA nâng cao có thể cung cấp nhiều giải pháp khác nhau, chẳng hạn như triển khai khả năng xử lý dữ liệu thời gian thực ở cấp độ phần cứng và phần mềm, tích hợp hệ thống (tích hợp càng nhiều thành phần càng tốt vào nền tảng một chip) và đánh giá tác động của chi phí thấp. thiết kế năng lượng về tản nhiệt và tuổi thọ pin.Chất bán dẫn là thành phần quan trọng của nhiều thiết bị y tế hiện nay, cung cấp các chức năng như kiểm soát vận hành, xử lý và lưu trữ dữ liệu, kết nối không dây và quản lý nguồn điện.Các thiết bị y tế truyền thống không phụ thuộc vào chất bán dẫn và các thiết bị y tế sử dụng chất bán dẫn không chỉ thực hiện các chức năng của thiết bị y tế truyền thống mà còn cải thiện hiệu suất của thiết bị y tế và giảm chi phí.
Ngành công nghiệp thiết bị y tế đang phát triển với tốc độ nhanh chóng và các nhà phát triển chip đang thiết kế và tiếp tục thúc đẩy sự đổi mới trong thế hệ tiếp theo của thiết bị cấy ghép, thiết bị y tế bệnh viện và thiết bị đeo chăm sóc sức khỏe.
